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关于HTS系统使用频段的探讨 近年来，随着对卫星通信容量需求的不断扩大，涌现出了很多的HTS（High Throughput Satellite）系统，同时也有越来越多的卫星运营商将目光转向了HTS系统，希望HTS能够成为未来收入新的增长点。 提到HTS，很多人都会首先想到Ka频段，一方面是Ka频段的可用带宽达到3.5GHz，远大于Ku的500MHz，另一方面则是因为现在已经商用和计划商用的HTS系统大多数都采用了Ka频段。那么，Ka频段真的具有Ku频段不可比拟的优势吗？本文将从链路传输质量的角度进行分析比较，试图还原Ka频段的真实面貌。 1 HTS的发展现状目前HTS大体可以分成以下几类： 1.1 静止轨道Ka系统目前在用和拟建的主流HTS均采用Ka频段，主要包括：美国Viasat 的Viasat-1、Echostar的Echostar 17（即Jupiter）、欧洲卫星的KA-SAT，Inmarsat的Global Xpress系统以及Avanti的HYLAS卫星、Arabsat的Arabsat-5C、澳大利亚NewSat的Jabiru等。这些系统都采用了Ka多点波束，向用户提供高速的数据接入功能。 以KA-SAT为例，该卫星于2010年12月26日发射，卫星配置82个点波束，总容量达到90Gbps，可以为东欧和西欧、中东和非洲、亚洲及美洲的市场提供价格低廉的IP服务。 1.2 静止轨道Ku系统典型的系统是泰国Thicom的ipStar系统。ipStar卫星于2005年8月11日发射升空。该系统使用频段为Ku/Ka混合频段，可为亚太地区提供84个Ku频段点波束，3个Ku频段赋形波束和18个Ka频段点波束覆盖，其中Ka频段用于关口站的馈线链路，Ku频段用于用户链路，到2011年底，已经部署超过23万个用户终端。 1.3 静止轨道多频段系统典型的系统是Intelsat的Epic系统。该系统首批包括两颗卫星，Intelsat 29e和Intelsat 33e，预计将在2015年和2016年发射升空。Intelsat Epic平台是一个完全开放的架构，利用C／Ku／Ka多个波段、宽波束、点波束和频率复用技术，具有高吞吐量、向前及向后兼容性以及高度灵活性和连接性的优势，从而提供了在商业卫星通信领域以前没有可用的一种高性能解决方案。 1.4 中轨Ka系统典型的系统是O3b系统。O3b Networks的投资者包括SES、谷歌、Liberty Global、汇丰银行等，初期计划发射8颗卫星，未来将根据业务发展情况增加卫星数量，轨道高度8062km，可以覆盖南北纬45度之间的区域，共分为7个区域，每个区域用10个波束覆盖，每波束可以提供1.2Gbps的容量，总容量为84Gbps，首批4颗卫星已于2013年6月25日由阿丽亚娜火箭在圭亚那发射升空。 2 Ku与Ka频段的比较这里将从几个方面来进行比较。 2.1 不同频率对于天线口径和传输损耗的影响很多人会有一个误解：频率越高，所需天线口径越小，于是得出了Ka频段可以使用更小口径天线的结论，同时认为影响Ka频段通信质量的主要因素只有降雨，但事实不仅如此。 在卫星通信中，通常用C/N来衡量链路的质量，以下行链路为例： （1） 对于卫星而言，星上天线的增益（ ）只与波束宽度，也就是半功率角（HPBW）相关，而与频率无关，天线增益的估算如下式： （2） 假设卫星的输出功率（ ）、卫星天线增益以及地球站接收天线的口径为常量，接收天线的增益如下： （3） 传输自由空间损耗为： （4） （5） 代入式（1）,可以得到： （6） 公式中，除了 （大气及降雨损耗）和 （接收系统噪声温度）外都可以看作是已经确定的值，而 和 与频率相关，且都表现为频率越高，值也越大。 因此，从上式可以得到这样的结论：在下行链路，如果卫星波束宽度、下行功率相同，当采用同样接收口径天线时，Ka频段所获得的 值要低于Ku频段。 上行链路的C/N计算如下： （7） 参照上面的方法，可以得到： （8） 从上式同样可以得到这样的结论：在上行链路，如果卫星波束宽度、上行功放输出功率（ ）相同、当采用同样发射口径天线时，Ka频段所获得的 值要低于Ku频段。 当然，影响端到端卫星链路总的C/N值的包括上下行C/N以及各种C/I，如邻星干扰、邻道干扰、交调干扰、极化干扰等，C/I大多与频段无关。Ku频段频率低，波束较宽，所产生的邻星干扰也会更大一些，但其对端到端链路的影响一般小于1dB，要小于Ku和Ka频段接收噪声的影响。 需要说明的是，上述计算中没有过多考虑降雨带来的损耗，而实际上雨衰对于Ka频段链路质量的影响要远远大于Ku频段，因此降雨时Ka频段的链路质量还将进一步下降。 2.2 ITU对于不同频率偏轴功率密度的限制从ITU无线电规则及相关建议看，对于Ku和Ka频段小口径的卫星终端偏轴EIRP谱密度的限制是不相同的，对Ka频段的要求要比Ku频段严格的多。 在ITU.R S.524-9和S.728-1中，分别要求FSS中工作于27.5-30 GHz 和14GHz频带发射的GSO 网络内的地球站应设计为：在偏离地球站天线主瓣轴2°或更大的任何角度ϕ上，在对地静止卫星轨道的3°范围内，任何方向的EIRP谱密度(ESD)应不超过下列数值： 表1：ITU.R对Ka和Ku频段偏轴功率谱密度的限值 上表中，在偏轴角度为2~48°时，对Ka频段的偏轴功率谱密度要比Ku频段低14dB。可见，从国际规则上看，对于Ku频段天线的要求远低于Ka频段。 对于两副口径、效率相同的抛物面天线，Ku和Ka频段在轴向上的增益相差值约为-6.3dB（ =14.25GHz， =29.5GHz），也就是说Ku天线的增益低6.3dB；但为了满足Ka频段对于偏轴ESD的要求，只能降低轴向的ESD，使得实际Ku频段天线能够获得的轴向ESD反而更大一些，这从下面的分析可以看出来： 假设Ku和Ka频段天线均采用0.45米口径的圆口面天线，都采用贝塞尔函数来表示其旁瓣模型，可以得到下面的图： 图1 0.45米天线的发射ESD与无线电规则限值关系 由图可见若要满足Ka频段的偏轴ESD比Ku频段低14dB的要求，Ka频段实际能够得到的轴向ESD需要比Ku频段低约6dB。 用 替换式（7）中的功放输出功率、天线增益和带宽，可以得到下式： （9） 式中： ——功率谱密度 把前面计算的自由空间损耗、卫星增益代入式中，可以得到： （10） 从上式可以看到，一个功率谱密度受限的链路，其 值将与频率的平方成反比。因此，在同样ESD、HPBW的情况下，采用14.25GHz将会比29.5GHz增加6.3dB的链路余量。 综上，同样波束宽度下，由于偏轴ESD的限制，一个0.45米的Ku终端能获得的上行C/N将能比同口径的Ka终端高出约12dB（不考虑降雨）。 2.3 波束宽度对于卫星容量的影响从前面部分推导我们可以得出以下结论： （1） 链路性能与波束大小成反比。当点波束宽度减小，链路性能成平方级数提高。而性能的增加可以使系统工作在更高的C/N门限，从而可以使用更高阶的调制和编码，获得更好的频谱效率，自然也就能够获得更大的容量； （2） 同样波束宽度情况下，Ku频段能够获得比Ka频段更好的链路性能，因此也能够在同等情况下获得更大的容量。 3 为什么Ka频段成为首选综上所述，当波束宽度相同时，Ku频段能够获得更好的链路质量。既然如此，为何众多的运营商依然选择Ka频段作为宽带卫星系统的首选呢？个人认为可能有以下几个原因： （1） Ku频段作为传统的卫星通信频段已经使用了很长时间，承载了大量的广播电视、通信业务，为运营商带来了稳定的收入，这些用户难以从原有的网络结构迁移到点波束这种模式； （2） 卫星运营商所拥有的轨道资源非常有限，难以获得新的轨道位置来开展Ku频段点波束业务； （3） Ku频段存在的网络众多，邻星间隔普遍为2度左右，邻星干扰影响比较大，如果再大量采用点波束模式构建新的网络，频率协调比较困难； （4） Ku频段采用点波束时，天线口径相对较大，卫星制造成本更高； （5） Ka频段作为新兴的卫星通信频段，现有的网络比较少，轨道位置的申请相对容易一些，而且不会对现有的传统业务产生影响； （6） Ka频段的可用带宽更多，容易构建大容量的卫星通信系统，正好可以满足宽带数据业务的需要。 参考文献： 1. Chris McLain，Sunil Panthi and James Hetrick “High Throughput Ku-band for Aero Applications”
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发表于 2013-12-20 09:53:28
